光电编码项目：行空板K10与数据编码的跨学科实践

项目来源
为满足《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中对数据编码内容的要求，结合数学、物理和音乐等学科知识，设计了“光电编码项目”。本项目利用行空板K10连接光电传感器，读取圆盘上的编码信息，实现数据的采集、处理和应用，旨在通过实践活动加深学生对信息编码的理解。

项目简介
在“光电编码项目”中，学生将使用行空板K10连接7个光电传感器，这些传感器间隔开，在一条直线上与行空板K10的引脚（P0, P1, P2, P8, P12, P13, P14）连接。项目包括两个实验，分别涉及数字编码和简谱编码，通过读取圆盘上的编码信息，学生将学习如何将模拟信号转换为数字信号，并了解编码的原理。

实验一数字编码实验
方法1：使用圆盘底色为白色，光电传感器读取圆盘上的黑色方块。圆盘上分十个分区，每个分区代表一个数字，数字用七位编码，每一位对应行空板K10的屏幕上模拟显示数码管的一个图形方块。黑色表示1，白色表示0。学生将学习如何通过光电传感器读取这些编码，并在行空板K10的屏幕上模拟显示数码管的图形方块。
方法2：在圆盘上扣孔，光电读取时，有孔表示0，无孔表示1。学生可以使用美工刀按照画好的编码图进行切孔。
数字用七位编码，与七个光电传感器一一对应，读取到黑色表示0，白色表示1。然而，光电传感器在读取信息时，可能会受到环境光线和圆盘上色块或孔的边缘影响，从而识别出错误的编码。

实验二简谱编码实验
实验一的编码方法存在浪费“位”的问题，10个数字只需要四位就能表示，因为2的4次方是16。实验二中，简谱使用7个音节，采用二进制编码，所以只需要3位，即3个光电传感器。简谱编码实验二在圆盘上画颜色块实现对简谱编码，传感器读取后，行空板K10解码进行播放。学生将学习如何通过颜色块或扣孔的编码来表示简谱，并实现音乐的播放。

项目知识点
本项目核心教学以下知识点：

• 数据编码：了解如何使用二进制编码表示数字，以及如何通过光电传感器读取编码信息。
• 光电传感器原理：学习光电传感器的工作原理，以及如何将光信号转换为电信号。
• 编程基础：使用Mind+编程软件，掌握基本的编程逻辑和结构。
• 数学知识：在绘制圆盘分区和编码过程中，了解等分圆的发展史和数学知识。
• 音乐基础：在简谱编码实验中，学习简谱的基本知识和音乐理论。
• 跨学科融合：通过项目实践，体验信息科技与其他学科如数学、音乐的融合。
  

项目原理
项目通过行空板K10的光电传感器读取圆盘上的编码信息，然后将这些信息转换为数字信号，最后在行空板K10的屏幕上模拟显示数码管的图形方块。学生将学习如何通过编程控制这些过程，并理解数据编码的基本原理。

硬件介绍

在“光电编码项目”中，使用以下硬件：

• 主控器：行空板K10，负责读取传感器数据和控制显示。
• 传感器：7个光电传感器，用于读取圆盘上的编码信息。
• 显示模块：行空板K10的显示屏，用于显示数码管图形方块。
  

硬件接线
行空板K10通过引脚（P0, P1, P2, P8, P12, P13, P14）与7个光电传感器相连，实现数据的读取和处理。

编码盘制作
实验一编码：
数码管的显示编码通常用于将数字或字符转换为对应的段码，以便在数码管上显示。
数字对应的7位字符串编码：

"1111110"        A, B, C, D, E, F       点亮0
"0110000"        B, C                       点亮1        
"1101101"        A, B, G, E, D          点亮2        
"1111001"        A, B, G, C, D          点亮3      
"0110011"        F, G, B, C               点亮4        
"1011011"        A, F, G, C, D          点亮5        
"1011111"        A, F, G, E, C, D       点亮6        
"1110000"        A, B, C                   点亮7        
"1111111"        A, B, C, D, E, F, G    点亮8
"1111011"        A, B, C, D, F, G        点亮9
复制代码

实验二编码：
简谱的数字表示方法，其中数字代表音符，即简谱中的“哆（1）、来（2）、咪（3）、发（4）、嗦（5）、拉（6）、西（7）”。

《小星星》（儿歌版本）的简谱：
1 1 | 5 5 | 6 6 | 5 - |
4 4 | 3 3 | 2 2 | 1 - |
第一句歌词：
一闪一闪亮晶晶
满天都是小星星。
复制代码

数字1到7的二进制编码：

数字1的二进制编码是 001。
数字2的二进制编码是 010。
数字3的二进制编码是 011。
数字4的二进制编码是 100。
数字5的二进制编码是 101。
数字6的二进制编码是 110。
数字7的二进制编码是 111。
复制代码

《小星星》第一句的二进制表示为：

001 001 101 101 110 110 101
100 100 011 011 010 010 001
复制代码

制作码盘
1.使用黑白颜色块，绘制编码盘。

2.绘制时可使用尺规作图十等分圆

使用圆规和直尺绘制
要将一个圆十等分，最简单且经典的方法是使用圆规和直尺。以下是详细的步骤：
‌（1）作互相垂直的直径‌：
在圆中作出两条互相垂直的直径MN和AP，它们相交于圆心O。‌
‌（2）平分半径‌：
平分半径OM于点K，使得OK=KM。
‌（3）画弧确定正五边形的边长‌：
以K为圆心，KA为半径画弧，这条弧与直径ON交于点H。此时，线段AH即为正五边形的边长。
‌（4）在圆周上截点‌：
以AH为弦长，在圆周上依次截得A、B、C、D、E各点。
‌（5）连结各点‌：
顺次连结A、B、C、D、E各点，这样你就得到了一个正五边形。由于正五边形的每个内角都是108度，通过连结圆心O与正五边形的每个顶点，可以将圆进一步划分为10个相等的部分。‌
3.刻孔可手工或激光切割

学生实际操作

1.内容编码与绘制：
(1)学生可以自己对数字、音节、图像等内容进行编码，如数字、音节等，并使用纸盘进行绘制。例如，黑色表示1，白色表0。

(2)也可以在纸盘上扣孔，有孔表示1，无孔表示0，通过这种方式进行编码。

(3)对于更高级的操作，可以使用激光切割机完成以上操作，提高精度和效率。
2.圆盘等分与绘制：
(1)在绘制圆盘时，学生可以学习使用尺规作图法，将圆盘等分成多个分区，如十等分。
通过这种方式，学生不仅能够掌握编码的基本原理，还能深入了解等分圆的数学知识，实现数学学科与信息科技的融合。

(2)电机驱动与变速箱：
圆盘由电机驱动旋转，学生可以使用乐高元件齿轮组合成变速箱，降低圆盘转速，以匹配行空板K10屏幕显示和声音播放速度。
同时，利用行空板K10的人工智能功能，通过语音识别功能开启和关闭电机运转。

流程图

在“光电编码项目”中，行空板K10的界面与系统控制流程图如下：

• 初始化：启动行空板K10，加载Mind+编程软件。
• 读取传感器：等待光电传感器读取圆盘上的编码信息。
• 数据处理：将读取的编码信息转换为数字信号。
• 显示数字：在行空板K10的屏幕上模拟显示数码管的图形方块。
  

重点程序

实验一：
• 光电传感器读取程序：实现光电传感器数据的读取和处理。
• 数码管显示程序：根据处理后的编码信息，在屏幕上显示相应的数字。
  
  

  #include "unihiker_k10.h"
  #include <Microbit_Motor.h>
  #include "asr.h"
  ASR          asr;
  // 创建对象
  Microbit_Motor motorbit;
  // 创建对象
  UNIHIKER_K10 k10;
  uint8_t screen_dir = 2;
  
  // 定义每段的坐标和尺寸
  struct Segment {
    int x, y; // 左上角坐标
    int w, h; // 宽度和高度
  };
  
  Segment segments[7] = {
    {60, 40, 120, 20},    // A
    {180, 60, 20, 100},   // B
    {180, 180, 20, 100},  // C
    {60, 280, 120, 20},   // D
    {40, 180, 20, 100},   // E
    {40, 60, 20, 100},    // F
    {60, 160, 120, 20}    // G
  };
  
  // 绘制函数，参数是一个7位的字符串
  void drawDigit(const char* pattern) {
    static String lastPattern = "";
    // 清空画布
    if (String(pattern) != lastPattern) {  // 只有当内容变化时才刷新屏幕
      k10.canvas->canvasClear();
      Serial.println(pattern);
      lastPattern = String(pattern);
      // 遍历字符串的每一位
      
      for (int i = 0; i < 7; i++) {
       if (pattern[i] == '1') {  // 如果字符是 '1'，则绘制对应的段
          int x = segments[i].x;
          int y = segments[i].y;
          int w = segments[i].w;
          int h = segments[i].h;
  
          // 绘制矩形
          k10.canvas->canvasRectangle(x, y, w, h, 0x0000FF, 0xFF0000, true);
        }
      }
      
      // 更新画布
      k10.canvas->updateCanvas();
    }
  }
  
  // 读取光电传感器状态并生成7位字符串
  String readSensorPattern() {
    static String lastCorrectPattern = "";
    String pattern = "";
    pattern += digital_read(eP14) == HIGH ? '0' : '1';
    pattern += digital_read(eP13) == HIGH ? '0' : '1';
    pattern += digital_read(eP12) == HIGH ? '0' : '1';
    pattern += digital_read(eP8) == HIGH ? '0' : '1';
    pattern += digital_read(eP2) == HIGH ? '0' : '1';
    pattern += digitalRead(P1) == HIGH ? '0' : '1';
    pattern += digitalRead(P0) == HIGH ? '0' : '1';
  
    // 检查是否匹配正确的7位字符串
    if (pattern == "1111110" || pattern == "0110000" || pattern == "1101101" || 
        pattern == "1111001" || pattern == "0110011" || pattern == "1011011" ||
        pattern == "1011111" || pattern == "1110000" || pattern == "1111111" ||
        pattern == "1111011") {
      if (pattern != lastCorrectPattern) {
        lastCorrectPattern = pattern;
        return pattern;
      }
    } else {
      lastCorrectPattern = "";
    }
    return lastCorrectPattern;
  
  }
  
  // 主函数
  void setup() {
    Serial.begin(9600);
    // 初始化屏幕
    k10.begin();
    k10.initScreen(screen_dir);
    k10.creatCanvas();
    k10.setScreenBackground(0x000000);
    k10.canvas->updateCanvas();
            asr.asrInit(CONTINUOUS, CN_MODE, 6000);
          while(asr._asrState == 0){delay(100);}
          asr.addASRCommand(0+1, "kai shi");
          asr.addASRCommand(0+1, "ting zhi");
    
  }
  
  void loop() {
    // 读取传感器状态并生成7位字符串
    String pattern = readSensorPattern();
  
    // 显示对应的数字
    drawDigit(pattern.c_str());
          if (asr.isDetectCmdID(0+1)) {
    motorbit.motorRun(M1, CW, 25);
          }
          if (asr.isDetectCmdID(1+1)) {
    motorbit.motorRun(M1, CW, 25);
          }
    // 延迟一段时间
    delay(5);
  }
  复制代码

  
  

实验二：
光电传感器读取程序：实现光电传感器数据的读取和处理。音节播放程序：根据处理后的编码信息，通过蜂鸣器播放。为增加识别准确度，在最外圈增加了一个光电传感器，圆盘上最外圈相邻两个分区绘制成“黑-白-黑-白……”或刻制作成“有孔-无孔-有孔-无孔……”

#include "unihiker_k10.h"
#include "asr.h"
ASR          asr;
#include <Microbit_Motor.h>
// 创建对象
Microbit_Motor motorbit;

// 创建对象
UNIHIKER_K10 k10;
Music music;
int lastvalue=-1;
// 读取光电传感器状态并生成3位字符串
String readSensorPattern() {
  String pattern = "";
  pattern += digitalRead(P1) == LOW ? '1' : '0';
  pattern += digital_read(eP8) == LOW ? '1' : '0';
  pattern += digital_read(eP13) == LOW ? '1' : '0';
  return pattern;
}
void setup() {
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(9600);
  k10.begin();
  k10.initScreen(2);
  k10.creatCanvas();
  k10.setScreenBackground(0x000000);
  k10.canvas->updateCanvas();
  asr.asrInit(CONTINUOUS, CN_MODE, 6000);
   while(asr._asrState == 0){delay(100);}
   asr.addASRCommand(0+1, "kai shi");
   asr.addASRCommand(0+1, "ting zhi");
  
}

void loop() {
  int nowvalue=digitalRead(P0);
  if(nowvalue!=lastvalue){
    lastvalue=nowvalue;
  // 读取传感器状态并生成3位字符串
  String pattern = readSensorPattern();
  drawDigit(pattern.c_str());
        if (asr.isDetectCmdID(0+1)) {
  motorbit.motorRun(M1, CW, 25);
        }
        if (asr.isDetectCmdID(1+1)) {
  motorbit.motorRun(M1, CW, 25);
        }
  // 根据传感器状态播放对应的音符
  if (pattern == "001") {
    music.playTone(262, 1000); // Do
  } else if (pattern == "010") {
    music.playTone(294, 1000); // Re
  } else if (pattern == "011") {
    music.playTone(330, 1000); // Mi
  } else if (pattern == "100") {
    music.playTone(349, 1000); // Fa
  } else if (pattern == "101") {
    music.playTone(392, 1000); // Sol
  } else if (pattern == "110") {
    music.playTone(440, 1000); // La
  } else if (pattern == "000") {
    music.playTone(494, 1000); // Ti
  }
 }
  // 延迟一段时间
  delay(5);
}

复制代码

外观结构设计
为了便于课堂教学和项目展示，可利用激光切割技术为“光电编码项目”设计外观结构。示例结构设计图和安装完成图如下：

• 结构设计图：展示圆盘和光电传感器的布局设计。
• 安装完成图：展示圆盘和传感器的最终组装效果。
  

演示视频

通过以上增加的内容，学生不仅能够更好地理解数据编码和光电传感器的工作原理，还能通过实际操作提高动手能力和创新思维。同时，结合数学、物理和音乐等学科知识，实现跨学科融合，为学生提供更丰富的学习体验。